《Poultry Science》：Integrated multi-omics reveals persistent extracellular matrix remodeling in chronic duck footpad dermatitis
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脚垫皮炎（footpad dermatitis, FPD）是集约化养殖家禽中常见的福利与生产问题，然而其慢性进展的机制至今仍知之甚少。为探究与慢性FPD相关的生物学变化，研究人员以健康鸭和患FPD鸭（Health组与FPD组）为对象，结合组织病理学、转录组学、
脚垫皮炎（footpad dermatitis, FPD）是集约化养殖家禽中常见的福利与生产问题，然而其慢性进展的机制至今仍知之甚少。为探究与慢性FPD相关的生物学变化，研究人员以健康鸭和患FPD鸭（Health组与FPD组）为对象，结合组织病理学、转录组学、蛋白质组学、微生物组谱分析和代谢组学进行比较研究，各分析平台的生物学重复数为3–8个不等。组织学检查显示显著的细胞外基质（extracellular matrix, ECM）重塑，其特征为胶原纤维紊乱、I型/III型胶原比例改变以及基质组织破坏。转录组学与蛋白质组学分析一致鉴定出ECM–受体相互作用、黏着斑以及整合素β1/TGF-β相关信号通路的变化，表明宿主分子改变与持续性ECM重塑相关。FPD还伴随皮肤和肠道微生物群落的显著改变以及广泛的代谢变化。相关性分析进一步揭示了差异微生物类群、代谢物与ECM相关基因和蛋白质之间的关联。综上，这些发现表明，慢性FPD以持续性细胞外基质重塑为特征，并伴有广泛的宿主分子、微生物和代谢改变。本研究拓展了当前对慢性FPD的认识，并为今后改善家禽脚垫健康、动物福利和生产可持续性的研究奠定了基础。
# 慢性鸭脚垫皮炎中持续性细胞外基质重塑的多组学整合研究解读
## 一、研究背景与问题
脚垫皮炎（footpad dermatitis, FPD）是集约化养殖家禽中常见的福利问题，与运动功能障碍、生产性能下降及显著经济损失密切相关。随着病变进展，细胞外基质（extracellular matrix, ECM）组织结构破坏逐渐明显，表现为胶原紊乱和组织修复受损。既往研究将FPD归因于长时间机械负荷、地面与环境条件、垫料质量差以及微生物定植等因素，但这些因素尚不能完全解释慢性病变过程中组织损伤的持续存在以及ECM重塑背后的生物学过程。持续性ECM重塑是慢性组织损伤的常见特征，可导致组织结构改变和修复功能障碍。持续机械负荷会改变细胞–基质相互作用，激活机械转导相关通路，引起成纤维细胞持续活化、胶原过度沉积和组织渐进性硬化。整合素β1作为机械感知的重要受体，可将细胞外机械信号传递至胞内信号通路，并与ECM重塑和纤维化反应相关。然而，机械转导相关通路是否参与慢性FPD中的持续性ECM重塑尚不明确。此外，皮肤和肠道微生物群以及代谢因素也可能通过宿主代谢和免疫交互影响组织稳态，微生物失调与组织修复受损和持续炎症相关。这些生物学过程在FPD进展中是否协调变化仍属未知。因此，有必要通过多组学整合策略系统刻画慢性FPD相关的宿主分子、微生物和代谢改变。
## 二、研究设计与技术方法
研究人员从同一商品鸭群中选取健康鸭（Health组）和自然发生FPD的鸭（FPD组），饲养环境和管理条件一致。FPD依据可见的足底病变诊断，健康鸭足垫完整且无肿胀、过度角化或病变。研究人员整合组织病理学、转录组学、蛋白质组学、微生物组谱分析和代谢组学等多种技术平台：组织学采用苏木精–伊红（H&E）、Masson三色染色和天狼星红染色评估组织形态、胶原沉积和ECM重塑；转录组学对足垫皮肤进行RNA测序；蛋白质组学采用液相色谱–串联质谱（LC–MS/MS）结合数据非依赖采集（DIA）模式进行蛋白鉴定和定量；微生物组分析对足垫拭子和粪便样本的16S rRNA基因V3–V4区进行扩增测序；代谢组学对足垫组织和血清进行非靶向液相色谱–质谱（LC–MS）分析。各平台生物学重复数为：组织学n=3，转录组学n=3，蛋白质组学n=4，足垫微生物组n=8，粪便微生物组n=6，足垫代谢组n=6，血清代谢组n=6。研究还进行了免疫组织化学染色检测整合素β1表达，并通过加权基因共表达网络分析（WGCNA）、线性判别分析效应大小（LEfSe）、相关性网络分析等对多组学数据进行整合。
## 三、主要研究结果
### 1. 慢性FPD以胶原紊乱和细胞外基质重塑为特征
大体和组织病理学检查显示，FPD鸭足垫明显增厚、变形并出现溃疡性病变，组织学上表现为显著过度角化、表皮结构破坏、真皮正常结构丧失以及病理学评分显著升高。Masson三色染色显示健康足垫胶原纤维致密且排列有序，而FPD组织胶原纤维断裂、松散且分布不均。偏振光下天狼星红染色显示FPD组织中I型/III型胶原比例显著降低，提示胶原组成改变和基质成熟受阻。这些结果确定了胶原紊乱和ECM重塑是慢性FPD的突出病理特征。
### 2. 与细胞外基质重塑相关的转录组改变
转录组主成分分析显示健康与FPD组明显分离，共鉴定出530个差异表达基因（DEGs），其中307个上调、223个下调。功能富集分析显示这些DEGs主要富集于ECM组织、ECM–受体相互作用、黏着斑和TGF-β信号通路。胶原生物合成和ECM组织相关基因（如TGFB3、LTBP1、SERPINH1、COL1A1、COL1A2、COL6A2、COL6A3、COL15A1、FN1、LUM、MATN2）在FPD组织中上调，而基底膜组织和组织稳态相关基因（COL4A1、THBS1）下调。ITGB1（整合素β1）也显著上调。WGCNA进一步鉴定出与FPD相关的基因模块富集于ECM组织、TGF-β信号、代谢和炎症调控，而健康足垫相关模块富集于组织维持和结构完整性。
### 3. 与细胞外基质重塑相关的蛋白质组改变
定量蛋白质组学共鉴定出730个差异丰度蛋白（DAPs），其中121个增加、609个减少。功能富集分析显示DAPs主要涉及胶原纤维组织、ECM–受体相互作用、黏着斑、蛋白质折叠和分子伴侣介导的过程。结构域富集分析鉴定出热休克蛋白、伴侣蛋白和ATP酶相关蛋白，包括HSP70、HSP90和TRiC复合体成员。ECM组织、胶原重塑和细胞–基质黏附相关蛋白在FPD组织中差异丰度显著。TGF-β相关信号蛋白（MFAP5、RICTOR、BMP2K、MAP2K5）也发生了显著改变。这些结果说明慢性FPD伴随广泛的蛋白质组改变，涉及ECM组织、细胞–基质相互作用和蛋白质稳态。
### 4. 与细胞外基质重塑相关的微生物改变
足垫微生物组分析显示，健康与FPD组在Chao1丰富度和Shannon多样性指数上无显著差异，但PLS-DA显示两组存在视觉分离，PCoA未显示整体群落组成的显著差异。分类学分析显示FPD足垫富集Fusobacteriota、Actinomycetota和Streptococcus，而Ligilactobacillus减少；健康足垫则富集Lactobacillus salivarius、Jeotgalicoccus和Brachybacterium。功能预测显示FPD相关微生物群落中氨基酸和脂质代谢功能降低，而翻译和复制相关功能增加。肠道微生物组分析显示类似变化，FPD鸭肠道富集Fusobacteriota、Streptococcus、Megamonas和Rikenellaceae_RC9_gut_group，而健康鸭富集Bacteroidota和Romboutsia。LEfSe分析进一步鉴定出多个Fusobacterium相关分类群为FPD相关肠道微生物群的特征标志。
### 5. 与细胞外基质重塑相关的代谢改变
足垫组织代谢组学共鉴定出595个差异代谢物，其中448个增加、147个减少。KEGG通路富集分析显示这些代谢物主要涉及核苷酸代谢、嘌呤代谢、辅因子生物合成以及若干信号相关通路。代表性代谢物如烟酰胺、尿苷5′-单磷酸和鸟苷在FPD组织中增加，而皮质醇减少。血清代谢组学鉴定出34个与氨基酸、脂质和能量代谢相关的差异代谢物，富集分析突出氧化磷酸化、嘌呤代谢、硫代谢和铁死亡相关通路。部分代谢物在足垫组织和血清中均可检测到，提示代谢改变不仅局限于局部病变，还涉及全身循环。
### 6. 与细胞外基质重塑相关的多组学整合关联
整合多组学相关性分析显示，微生物组成、差异代谢物与ECM相关宿主分子特征之间存在强相关性。多个FPD相关微生物属与差异代谢物（如古柯碱、鸟苷、尿苷5′-单磷酸、皮质醇和烟酰胺）显著相关。代谢物与转录组整合分析显示，这些代谢物与ECM相关基因（TGFB3、LTBP1、SERPINH1）显著相关。蛋白水平上，鸟苷和烟酰胺与MFAP5呈正相关，而MFAP5与结构ECM蛋白（COL17A1、THBS1）相关。这些结果证明了慢性FPD中微生物组成、代谢物和ECM相关宿主分子特征之间的关联。
## 四、讨论与结论总结
讨论部分指出，FPD通常被视为长期暴露于不良地面条件导致的慢性炎症状态，但本研究通过组织学和多组学证据表明，持续性ECM重塑是慢性FPD的重要病理特征之一。FPD病变中I型/III型胶原比例持续降低，与正常伤口愈合过程中III型胶原逐渐被I型胶原替代的成熟过程不符，提示基质成熟受阻和持续胶原重塑。转录组和蛋白质组数据一致富集于ECM–受体相互作用、黏着斑、TGF-β信号、胶原组织和细胞黏附等通路，这些通路在慢性组织重塑中具有公认作用。ITGB1的显著上调提示机械转导可能参与ECM重塑，但本研究未直接操作机械负荷，整合素β1/TGF-β信号的功能作用仍需实验验证。蛋白质组还发现分子伴侣和热休克蛋白富集，与ECM重塑过程中蛋白质质量控制增强一致。微生物方面，FPD相关微生物群落并非整体多样性丧失，而是特定类群的选择性改变，如Streptococcus、Fusobacterium和Actinomycetota富集，潜在有益菌Ligilactobacillus减少。代谢组显示氨基酸、脂质、核苷酸和氧化还原代谢通路改变。肠道微生物和血清代谢组的类似变化表明FPD相关生物学改变不局限于足垫局部。需要强调的是，跨组学相关性仅代表统计关联，不能推断因果关系。
结论部分翻译如下：本研究表明，组织病理学、转录组学和蛋白质组学证据一致支持持续性细胞外基质重塑是慢性脚垫皮炎（FPD）的突出病理特征。慢性FPD还伴随宿主分子反应、微生物组成和代谢谱的广泛改变。通过将组织病理学与转录组学、蛋白质组学、微生物组学和代谢组学分析相结合，本研究为慢性FPD相关的生物学变化提供了整合视图。尽管本研究揭示的是宿主分子反应、微生物改变和代谢变化之间的关联而非因果关系，整合素β1/TGF-β相关信号在ECM重塑中的功能作用仍有待实验验证。这些发现将当前对FPD的理解从单纯的慢性炎症拓展至更复杂的生物学过程，并为未来机制研究及改善家禽脚垫健康、动物福利和生产可持续性的营养、育种和管理策略制定奠定了基础。
